流动环境中热水负浮力射流的近区特性分析

在对流动环境中平面热水负浮力射流进行数值模拟的基础上就近区特性进行分析,得到了不同排放角度和射流比下涡心和分离点位置等特征量的值.分析了水面上流速、温度、湍动能及其耗散率变化规律,对涡心断面上的动量方程和湍动能平衡进行了研究.计算结果分析发现回流区内湍动能最大值存在滞后的现象,浮力作用对时均量的影响较大,而对紊动量的影响则比较小.     

梯形断面明渠丁坝绕流水力特性三维大涡模拟

对梯型断面明渠非淹没式单一丁坝绕流水力特性进行三维数值模拟,为丁坝的设计和施工提供理论基础支持。数值模拟采用两相流混合模型,并分别选取大涡模型(LES)和RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程。速度与压力的耦合使用半隐式SIMPLE算法,模拟自由水面采用了VOF法。通过不同截面流线图和流速矢量图的比较得出大涡模型能更好地捕获水流瞬时流动特性,动态再现二次流动结构;并将其模拟的丁坝后回流区域边界线与试验值对比,两者吻合良好,表明大涡模型能够很好地模拟明渠丁坝绕流的水力特性分布规律。     

自吸离心泵蜗壳内瞬态流动特性

为了研究自吸离心泵蜗壳内瞬态流动特性,分别对有、无回流孔时的模型泵进行了三维非定常流动数值模拟,得到了蜗壳内压力脉动特性和蜗壳回流孔处的瞬态流动特性.研究结果表明:回流孔的存在使蜗壳内压力脉动更加剧烈多变;蜗壳内最大幅值监测点处的蜗壳断面上,存在强度较大、位置对称、大小不等的反向二次流漩涡;回流孔向蜗壳的流出口处存在较大的涡量,且在此处的蜗壳断面和其垂直截面内都有随时间周期性变化的漩涡流动结构;有回流孔时的最大脉动幅值在0.8、1.0和1.2倍设计流量工况下比无回流孔时相应工况下的幅值分别增大35.5%、13.7%和19.6%.     

基于涡旋强度亚格子应力模型的湍流有旋流动大涡模拟

为了改进大涡模拟方法预测湍流有旋流动的能力,将一种基于涡旋强度构建的亚格子涡粘模型应用于悉尼旋流燃烧器的冷态场大涡模拟中.选取高雷诺数低旋流数和低雷诺数高旋流数两种工况,验证该模型在强剪切且有旋流场大涡模拟中的表现,并与动态Smagorinsky(DSM)模型模拟结果以及实验结果进行比较.模拟结果表明,基于涡旋强度模型(SSM)的大涡模拟结果能够合理预测钝体回流区、二次回流区以及中心射流进动等重要特征,同时速度统计矩结果总体好于DSM模型结果.但在旋流剪切层处二阶矩预测较高,说明SSM模型在剪切层处可能耗散较大,需要改进.     

丁坝挑角及长度对回流区流动特性影响的数值模拟

为探究丁坝挑角及长度对坝后回流区流动特性的影响,利用计算流体力学(CFD)方法,模拟宽浅河道中丁坝挑角上挑60°、正挑、下挑120°,及丁坝投影长度为0.12,0.2,0.3 m条件下回流区流场和湍动能及湍流黏度的分布。结果表明:丁坝回流区最大相对长度L/B及最大相对宽度W/B与丁坝相对投影长度b1/B成正相关;湍动能沿着流动分离区域向两侧及下游扩散衰减,其最大值出现在坝后流动分离处;丁坝的投影长度和挑角直接影响湍动能和湍流黏度的大小和分布;随着水深增加,湍动能和湍流黏度分布规律不变,其值随着水深的增加而小幅减小。     

钝体燃烧器湍流分离流场的数值模拟

本文应用涡量流函数法和k-ε双方程模型对煤粉钝体燃烧器的燃烧室中的等温流场——带钝体突扩通道中的流动进行数值模拟。计算出了流场中回流区的几何参数、速度分布、湍动能分布等,得到了与实测数据基本一致的结果。     

基于FLOW-3D的竖缝式鱼道水力特性研究

为了研究竖缝式鱼道的水力特性,本文基于FLOW-3D中的RNG k-ε湍流模型和tru VOF方法,以广西老口鱼道为工程背景,对其水力特性进行数值模拟研究,分析了设计水位下,竖缝式鱼道不同高层处池室及休息池的流态分布和紊动能分布情况。结果表明:广西老口鱼道的池室及休息池主流区明确,回流区流速值基本在0.5 m/s以下,适合鱼类休息;竖缝断面处总体流速较小,最大值仅为1.31 m/s,大部分过鱼对象能通过竖缝顺利完成上溯;池室及休息池的紊动能较小,分别在0.109 J/kg和0.077 J/kg以下;池室单位水体消能率为34.7 W/m~3,消能效果良好。广西老口鱼道基本能满足过鱼对象上溯的需要。     

基于小波分析后台阶流动中的湍动能能谱分布

利用小波分析良好的时频双局域性特点,对准周期性非定常流场的速度信号进行了多辨析研究.使用大涡模拟方法得到了后台阶流动的流场,借助正交离散小波变换将流场中各处的速度信号在不同频带上逐层分解.提出了以特征频带名义频率和特征频带速度幅值作为描述流场各点处湍动能在不同频带上能谱分布的量化指标的新方法.以分析后台阶流动的脉动速度场为例,结果表明,所提出的方法可以为改进大涡模拟方法中的网格分布提供理论依据.     

二维环空管道后台阶突扩流动特性数值模拟分析

环空管道后台阶突扩流动是空气正循环钻井过程中十分重要的关键部分,直接决定了钻探岩屑是否能够顺利上返地面.该模型中对再附着过程的演变进行了大涡模拟(LES).指出在层流状态下主回流区长度随雷诺数Re的增加而增加;过渡流状态时出现内壁二次回流区,角部二次回流区和外壁三次回流区;湍流状态时,随着角部二次回流和外壁三次回流的消失,外管内壁和内管外壁处出现大尺度涡;得出了台阶上游和下游较远处流场层流时为抛物线分布,湍流时近似为对数分布.在此基础上进一步研究了湍流情况下流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演变过程,以期实现对湍流的有效控制,并为进一步研究气体钻井环空管道内颗粒和大涡的相互作用规律奠定基础.     

小尺度新月形沙丘背风侧流场特性的大涡模拟分析

为了准确获得新月形沙丘背风侧湍流流场流动特性,采用基于Smagorinsky的亚格子尺度涡黏模型的大涡模拟(LES)方法,对简化了的实验缩比小尺度沙丘模型绕流气相流场进行了数值研究,模拟了相同来流风速、不同沙丘迎风坡度和高度下背风侧风场的湍流流动模式,获得了背风侧区域地表面摩擦系数分布,比较了回流区长度和湍流强度分布.模拟结果表明:LES方法能较好地揭示背风侧湍流流场特性;流场重附距离随沙丘迎风坡度和高度的增加而增大;背风侧回流区内湍流强度总体上比回流区外大,回流区内沙丘坡脚位置及重附点位置处湍流强度最大值出现在贴近地表附近,随沙丘高度的增加而增大;回流区中部湍流强度最大值出现在回流区顶部,随沙丘高度的增加先增大后基本不变.     

高水头大流量竖井旋流水气二相流三维数值模拟

采用标准k-ε双方程紊流模型及基于水气两相流的VOF方法,对某高水头水电站竖井式泄洪洞内的水流运动进行了模拟,得到流速、压力、紊动能、自由水面、压坎后掺气水深等水力参数的分布规律.揭示了竖井旋转内消能泄洪洞的一些特有的水力特性——空腔环流.模拟结果与物理模型试验结果吻合良好.此外,利用数值模拟的结果对竖井的泄流能力和消能率以及洞顶余幅进行了验证.     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

离心泵蜗舌区非定常流动特性

采用Navier-Stokes方程和RNG k-ε双方程湍流模型,对多工况下离心泵全流道进行了非定常流动数值模拟. 非定常计算得到的离心泵外特性与试验数据吻合较好. 在离心泵蜗舌区设置了3个监测点,计算得到了蜗舌区流体瞬态速度矢量分布,各监测点的压力、径向速度、周向速度的脉动时域特性,并对其进行了分析. 结果表明:设计工况下,蜗舌区流动比较均匀,压力和速度脉动幅度较小. 大流量工况下,在叶轮出口的射流-尾迹结构影响下,各监测点的压力和速度随叶片转动出现相应的峰值和谷值. 小流量工况下,蜗舌区内存在绕蜗舌顶端逆向流动、叶轮出口回流、蜗舌附近蜗型段内旋涡,使得流动非常复杂,流体压力和速度脉动幅度较大,压力最大值约为最小值6倍.      

竖缝式鱼道180°转弯段水力特性研究

180°转弯段是鱼道的重要结构形式之一,为了研究竖缝式鱼道180°转弯段的水力特性,针对老口竖缝式鱼道180°转弯段,采用数值模拟的方法,对其水流流态和紊动能进行模拟计算,对转弯段的主流区流速、紊动能沿程及垂向分布变化进行了分析,得出竖缝式鱼道180°转弯段的主流区水流流态和紊动能的分布情况.模拟结果表明:180°转弯段的主流区明确,流速适宜,紊动能较小,老口鱼道对鱼类洄游具有良好的水力条件.     

发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏量计算公式的构造

为了提高发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏量的工程计算精度,基于泄漏量测量和流动显示试验以及间隙内部泄漏流动过程分析,构造了带有导流环的风扇叶顶间隙泄漏流动模型。深入研究了在静压力50~250Pa下3种带有导流环的风扇叶顶间隙流动结构的泄漏特性,通过流动显示试验,测量得到了泄漏流的涡旋结构和叶顶泄漏涡的轨迹。在经典泄漏量Martine和Egli泄漏经验计算公式的基础上,通过引入动能载越效应修正系数,应用修正后的计算公式对泄漏量进行计算并与试验结果值做了比较。研究结果表明:改进模型的计算结果与试验结果值接近,基本吻合;可为改进和提高发动机冷却风扇的气动性能提供理论依据。     

涡轮桨搅拌槽内流动及尾涡特性研究

采用颗粒成像测速仪（PIV）,实验测定了相同功率下两种不同叶片长度的六直叶涡轮桨（RT桨）的流动场,分析了叶片长度对液相速率、湍流动能和尾涡特性的影响规律,并研究了桨叶离底距离对尾涡特性的影响。结果表明,径向速率分布差别不大,而长桨叶的轴向速率大于短桨叶,最大相差达40%。对于湍流动能,二者在近桨叶区数值相近,但在远桨叶区长叶桨较短叶桨的湍动要强,最大差值30%;对于尾涡特性,上下尾涡发展轨迹、涡量大小是不对称的,下尾涡较上尾涡发展稍快,且涡量较大,涡量大20%左右。     

竖井进流水平旋转内消能泄洪洞流场数值模拟

应用雷诺应力模型，模拟了竖井进流水平旋转内消能泄洪洞空腔环流的水力特性。数值模拟与试验结果比较表明，雷诺应力模型模拟水平旋流泄洪洞的水力特性是可行的，泄洪洞底部压强沿程呈减小变化规律并与实测值一致；轴向流速沿径向呈峰值靠近壁面的抛物线分布，切向流速呈强迫涡和自由涡的组合涡分布，自由涡占大部分区域，轴、切向流速模拟值与实测流速值均符舍得较好。并计算和分析了空腔环流的压强等值线、湍动能、湍动耗散率、旋流夹角等的沿程变化，揭示了竖井进流水平旋转内消能泄洪洞空腔环流的一些特有的水力特性。     

阶梯溢流坝面流场的紊流数值模拟

为了详尽地研究阶梯溢流坝面的紊流流场特性，采用雷诺应力模型对阶梯溢流坝面上的流场进行紊流数值模拟，得到了阶梯坝面水流的速度场，压力场，紊动能和紊动耗散率的分布规律，并与实测值进行比较，结果令人满意。     

不同湍流模型在90°弯管数值模拟中的应用

为了揭示不同湍流模型对弯管内部流动模拟的影响因素,在90°弯管PIV(粒子成像测速仪)试验研究的基础之上,采用6种湍流模式模拟了方形截面90°弯管内的三维湍流流动,与试验数据进行了比较,并根据试验与数值计算的比较结果,选择较优的湍流模型模拟了半径r=164mm的速度分布曲线以及各个截面内的流动情况.结果表明:LES(大涡模拟)模型的计算结果在流体运动的整个过程中与试验值符合较好;其他湍流模型模拟弯管直线段时,计算误差较小,而一旦流体进入弯曲段后,计算值与试验值存在一定差异.相对于RNG(重正化群)k-ε(湍动能-耗散率)湍流模型,LES模型计算半径r=164mm上速度分布与试验值更为接近.此外,LES模型能够较好地模拟出弯管各个断面上的二次流动情况.     

合成射流对类车体流动控制的影响

基于大涡模拟对有无合成射流控制的三维类车体流场进行仿真,与试验结果对比,验证仿真方法有效.平均场结果表明,当合成射流出口位于顶盖和斜背交界处时,可减弱流动分离,缩小回流区,改变背压,降低阻力.频谱分析显示,当激励动量系数超过1.0×10~(-4)时,斜背表面压力、回流区速度和涡量以及阻力系数功率谱密度对应的峰值频率皆为激励频率.瞬态流场分析结果指出,合成射流与外流之间的交互作用导致了阻力系数曲线中出现周期性改变的波谷和波峰.